METODOS AERODINÁMICOS PARA DISEÑO EN EL AEROGENERADOR Xabier Munduate Wind Energy Department CENER - National Renewable Energy Centre (Spain)

Indice Introducción Escalas espaciales y temporales Metodos Aerodinámicos para aerogeneradores: BEM Estela deVortices CFD: Navier-Stokes Conclusiones

Precio de la Electricidad COMPARATIVA DEL PRECIO DE LA ELECTRICIDAD EN C€/KWH EN 1998. FUENTE (EUROPEAN COMISSION DIRECTORATE-GENERAL FOR ENERGY 1998). Fig 1 Comparativa del precio de la electricidad en c€/kWh en 1998. Fuente (European Comission Directorate-General for Energy 1998). Tasa de descuento 5%, vida a 20 años, viento de 5 a 10 m/s a altura del buje ref[1]

EJE VERTICAL “DARRIEUS” VAWT Tipos de Aerogenerador EJE VERTICAL “DARRIEUS” VAWT LOGRA EL EMPUJE POR SUSTENTACION. Vista en planta

Fig 2 Tipología de Aerogenerador de eje horizontal-HAWT ref[2] Tipos de Aerogenerador EJE HORIZONTAL- HAWT Barlovento-Upwind Sotavento-Downwind UPWIND-VIENTO-ROTOR-TORRE CONTROL YAW ACTIVO DOWNWIND-VIENTO-TORRE-ROTOR CONTROL YAW PASIVO Fig 2 Tipología de Aerogenerador de eje horizontal-HAWT ref[2]

Fuerzas en la pala Logra la fuerza (F) por sustentación y arrastre del aire sobre la pala. Se descompone en una fuerza de giro (T) y un empuje (E). LOGRA EL EMPUJE POR SUSTENTACION. LA PALA PERPENDICULAR AL PAPEL. Vista en planta

Campo fluido en el aerogenerador El campo de velocidades sin perturbar es no uniforme y no estacionario, con alta turbulencia. El aerogenerador modifica las condiciones del flujo aguas arriba del propio rotor y aguas abajo. La estela afectan severamente el comportamiento del aerogenerador induciendo velocidades en el propio rotor. Al contrario que en ala fija, el flujo a través del aerogenerador es altamente no lineal El aerogenerador es una estructura que posee movimiento de sólido rígido y como sólido elástico, complicando su modelado. Existe una fuerte componente de Aerodinámica Interaccional, es decir interacción aerodinámica de sólidos próximos (interacción pala-torre, o rotor-góndola). LOGRA EL EMPUJE POR SUSTENTACION. LA PALA PERPENDICULAR AL PAPEL.

Escalas espaciales y temporales El campo aerodinámico objeto de estudio en un aerogenerador se puede dividir en: la zona local y la zona global Zona global Zona local Zona global El campo aerodinámico objeto de estudio en un aerogenerador se puede dividir en una zona global y una zona local. La primera, engloba el viento incidente desde varios diámetros de distancia aguas arriba del rotor hasta la estela aguas abajo. La segunda, la zona local, abarca el flujo de aire más próximo a las superficies de la pala, la góndola y la torre

LA ZONA LOCAL Escalas espaciales y temporales Zona local La zona local, abarca el flujo de aire más próximo a las superficies de la pala, la góndola y la torre. Los parámetros de referencia son: c y Ωr. Escala temporal t=c/ Ωr. LA ZONA LOCAL Zona local La zona local, abarca el flujo de aire más próximo a las superficies de la pala, la góndola y la torre y cuyos parámetros de referencia son: c, la cuerda del perfil o anchura de la pala, y Ωr la velocidad de rotación, con un tiempo característico c/Ωr.

LA ZONA GLOBAL LA ZONA GLOBAL Escalas espaciales y temporales Engloba el viento incidente desde varios diámetros de distancia, aguas arriba del rotor, hasta la estela, aguas abajo, con dos parámetros de escala : D y V. La escala temporal es t=D/V. LA ZONA GLOBAL LA ZONA GLOBAL Zona global Zona global La primera, engloba el viento incidente desde varios diámetros de distancia aguas arriba del rotor hasta la estela aguas abajo, con dos parámetros de escala representativos: D, el diámetro del rotor, y V, la velocidad del viento, siendo el tiempo característico D/V. Esta división en dos zonas es artificial ya que ambas están íntimamente unidas e interactúan, pero puede ser de ayuda a la hora de comprender la complejidad del tema.

TEORIAS AERODINAMICAS Metodos Aerodinamicos para Diseño BEM: Teoría del elemento de pala METODO ESTELA DE VORTICES CFD: NAVIER-STOKES TEORIAS AERODINAMICAS BEM- DISEÑO ESTELA CFD- ESTUDIO DE DETALLE

BEM Blade Element Momentum-Teoría del elemento de pala Combinación de la teoría de la cantidad de movimiento + teoría del elemento de pala. Creada por Glauert 1935 ref[3] Simple, rápida ( 1seg-1minutos) , por tanto apta para diseño.

BEM Divide la pala en un número de elementos independientes desde la raíz hasta la punta de pala La velocidad inducida por la estela en cada elemento se determina realizando un balance de cantidad de movimiento axial y angular para un control de volumen anular que contenga al elemento de pala Las fuerzas aerodinámicas se calculan utilizando coeficientes de sustentación y resistencia, Cl y Cd 2D, provenientes de ensayos en el túnel del viento. Debido a estas simplificaciones el método básico BEM sufre la siguiente limitación: Es un método estático 2-D, por tanto no admite transitorios tanto en la ZONA GLOBAL como en la ZONA LOCAL No tiene en cuenta ni el numero de palas ni la dimensión finita de estas. Basada en teorías previas de Froude, Rankine, Prandtl, Goldstein,Glauert. Combina aerodinámica de perfil 2-D, velocidades inducidas teóricas y datos experimentales de las fuerzas

ESTELA Método propuesto por Gray en los 50, y perfeccionado por Landgrebe y otros en los 70 y 80. ref[4] [5] Característica principal de este método es que calcula las velocidades de la estela y su geometría Viento Estela Fig 3 Estela del rotor. ref[5]

ESTELA En este método, la pala puede representarse por línea de sustentación (teoría de sustentación de Prandtl ) tipo BEM o de forma mas compleja por superficies de sustentacion. Considera las palas representadas por una serie de vórtices (se originan en el rotor) que se mueven longitudinal y transversalmente para completar la estela en forma helicoidal. La estela se puede modelizar en estela rígida, estela predeterminada y estela libre. Asume o calcula la geometría de la estela, utilizando la ley de Biot-Savart para el calculo de velocidades inducidas.

ESTELA La teoría de estela considera los efectos no estacionarios en la ZONA GLOBAL como variaciones de orientación y velocidad del viento. Permite el estudio detallado de estelas Sin embargo sufre de limitaciones a la hora de estimar el flujo tridimensional transitorio en la ZONA LOCAL Esta teoría consume un tiempo considerable de computación. A pesar de ello y con el aumento de la potencia de cálculo se esta convirtiendo en un método atrayente para futuros diseños (1minutos-1dias) ALGO

CFD Métodos CFD basados en flujo Potential se desarrollaron en los 80. Métodos de Euler y Navier-Stokes con flujo incidente predeterminado se desarrollaron al final de los 80, ref[6] Modelos de Navier-Stokes que capturan turbulencia comenzaron durante 1990 Hoy en día, se trabaja en la mejora de la solución (exactitud y velocidad) y en los modelos de turbulencia y transición. ALGO

CFD Primer calculo CFD Navier-Stokes aerogenerador: rotor, nacelle y torre.1999 ref(6) ALGO

CFD Métodos CFD Navier-Stokes estan basados en las ecuaciones completas del flujo de aire, 3D viscoso turbulento transitorio para ZONA LOCAL (Re=10^4) y GLOBAL (Re=5x10^6). DNS cálculos sufren inestabilidad en tiempo y espacio. RANS: Inconveniente: dependencia del modelo de transición y turbulencia elegido a la hora de obtener los resultados. Se necesitan tiempos de computación largos (1horas-1dias). Ventaja: permite calculos 3D transitorios directamente y permite ver detalles del flujo aerodinámico que a través del análisis experimental son difíciles de detectar. Complementar y Mejorar BEM. Diseño de detalle. ALGO

Comparativa ALGO TIEMPOS BEM calculo segundos-minutos ESTELA LL Horas ESTELA PC Dias NS Dias DATOS NECESARIOS BEM geometría basica, condiciones de funcionamiento, datos del perfil ESTELA LL geometría basica, condiciones de funcionamiento, datos del perfil ESTELA PC geometría detallada, condiciones de funcionamiento. NS geometría detallada, condiciones de funcionamiento RESULTADOS BEM Potencia-Fuerza aerodinamica axial y tangencial-No aporta información sobre la estela ESTELA LLPotencia-Fuerza aerodinamica axial y tangencial-Estructura de la estela ESTELA PC Potencia-Fuerza aerodinamica axial, tangencial y radial-Estructura de la estela NS Potencia-Fuerza aerodinamica axial, tangencial y radial-Estructura detallada de la estela ALGO

Resultados comparacion de codigos ALGO

Resultados comparacion de codigos ALGO

Conclusion Final El desarrollo de modelos aerodinámicos de diseño necesita del apoyo y la experimentación en campo, en el túnel de viento así como de simulaciones CFD. ALGO

Referencias [1] Comparativa del precio de la electricidad en c€/kWh en 1998.European Comission Directorate-General for Energy 1998. [2] Hansen, A. C., Butterfield C. P., Aerodynamics of Horizontal Axis Wind Turbines, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol 25, 1993. [3] Glauert, H. (1935) Airplane propellers. En: Aerodynamic Theory (W. F. Durand, Ed.). Vol. IV, Div. L. Springer. Berlin. [4] Lopez Ruiz J. L (1993)., Helicópteros. Teoría y diseño conceptual. Edita ETSI Aeronauticos, Madrid [5] Coton, F. N., Wang, T.(1999). The prediction of horizontal axis wind turbine performance in yawed flow using an unsteady prescribed wake model. Journal of Power and Energy 213, 33-43. [6] Duque E.P.N. et al. (1999) Navier-Stokes analysis of time dependant flows about wind turbines. Proc. of 3rd ASME/JSME Joint Fluids Eng. Conf. FEDSM99-7814.